第八章水工隧洞

1、 第八章第八章 水工隧洞水工隧洞8.1 8.1 概述概述 8.2 8.2 水工隧洞的布置水工隧洞的布置8.3 8.3 進(jìn)口段進(jìn)口段 8.4 8.4 洞身段洞身段 本章的主要內(nèi)容：本章的主要內(nèi)容：8.5 8.5 出口段及消能設(shè)施出口段及消能設(shè)施 8.6 8.6 高流速泄水隧洞的水流脈動(dòng)壓力高流速泄水隧洞的水流脈動(dòng)壓力 與空蝕與空蝕 8.78.7水工隧洞的圍巖穩(wěn)定性水工隧洞的圍巖穩(wěn)定性 8.88.8水工隧洞襯砌的荷載及組合水工隧洞襯砌的荷載及組合 8.98.9水工隧洞襯砌計(jì)算與支護(hù)設(shè)計(jì)水工隧洞襯砌計(jì)算與支護(hù)設(shè)計(jì)8.1 8.1 概述概述 一、水工隧洞的作用和類(lèi)型一、水工隧洞的作用和類(lèi)型 1. 1.

2、作用作用 （1 1）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石頭河，劉家峽；）泄洪：配合溢洪道泄洪，例石頭河，劉家峽；也可作為主要泄洪建筑物，例石砭峪。也可作為主要泄洪建筑物，例石砭峪。 （2 2）引水興利：發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)、生態(tài)輸水。）引水興利：發(fā)電、灌溉、供水、航運(yùn)、生態(tài)輸水。 （3 3）排沙：延長(zhǎng)水庫(kù)使用年限，有利于水電站等正常）排沙：延長(zhǎng)水庫(kù)使用年限，有利于水電站等正常運(yùn)行。例三門(mén)峽左岸排沙洞，劉家峽的河口排沙洞。運(yùn)行。例三門(mén)峽左岸排沙洞，劉家峽的河口排沙洞。 （4 4）放空水庫(kù)：滿(mǎn)足人防和檢修。）放空水庫(kù)：滿(mǎn)足人防和檢修。 （5 5）施工導(dǎo)流：例龍羊峽：）施工導(dǎo)流：例龍羊峽：151516m16

3、m2 2；二灘；二灘20.520.525.525.5；黑河金盆；黑河金盆10101313。 2. 2. 類(lèi)型類(lèi)型 （1 1）按功用分：）按功用分：可分為泄洪洞、引水發(fā)電和尾水洞、灌溉和供水洞、放空可分為泄洪洞、引水發(fā)電和尾水洞、灌溉和供水洞、放空和排沙洞、施工導(dǎo)流洞等。和排沙洞、施工導(dǎo)流洞等。 （2 2）按流態(tài)分：）按流態(tài)分： 有壓：水力計(jì)算：按管流計(jì)算。有壓：水力計(jì)算：按管流計(jì)算。 無(wú)壓：明渠流計(jì)算。無(wú)壓：明渠流計(jì)算。 、運(yùn)行條件上差別較大，應(yīng)避免出現(xiàn)時(shí)而有壓時(shí)運(yùn)行條件上差別較大，應(yīng)避免出現(xiàn)時(shí)而有壓時(shí)而無(wú)壓的明滿(mǎn)流交替流態(tài)。而無(wú)壓的明滿(mǎn)流交替流態(tài)。危害：（危害：（a a）易引起振動(dòng)、空蝕。）

4、易引起振動(dòng)、空蝕。 （b b）影響泄流能力。）影響泄流能力。二、工作特點(diǎn)二、工作特點(diǎn)1. 1. 水力特點(diǎn)（進(jìn)口位于水下）水力特點(diǎn)（進(jìn)口位于水下） Q H Q H1/21/2，比表口超泄能力低，但進(jìn)口，比表口超泄能力低，但進(jìn)口位置低，可以提前預(yù)泄。位置低，可以提前預(yù)泄。 H H較高，較高，P P較大，啟閉力也就要大，止水較大，啟閉力也就要大，止水要求嚴(yán)格。承受得水頭較高，要求嚴(yán)格。承受得水頭較高， v v較大，易引起空化、空蝕，脈動(dòng)會(huì)引起較大，易引起空化、空蝕，脈動(dòng)會(huì)引起閘門(mén)振動(dòng)。閘門(mén)振動(dòng)。 q q出口較大，能量集中，需采取適當(dāng)?shù)姆莱隹谳^大，能量集中，需采取適當(dāng)?shù)姆罌_設(shè)施。沖設(shè)施。2.2.結(jié)構(gòu)特

5、點(diǎn)（洞身處于地下）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（洞身處于地下） 洞室開(kāi)挖后，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍洞室開(kāi)挖后，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖變形甚至崩塌，為此常布置臨時(shí)支護(hù)和永久性巖變形甚至崩塌，為此常布置臨時(shí)支護(hù)和永久性襯砌。襯砌。 在運(yùn)行期，承受較大內(nèi)水壓力的隧洞，要在運(yùn)行期，承受較大內(nèi)水壓力的隧洞，要求圍巖具有足夠得厚度和必要的襯砌求圍巖具有足夠得厚度和必要的襯砌 3.3.施工特點(diǎn)施工特點(diǎn) 隧洞一般斷面小，洞線長(zhǎng)，工序多，干擾大，隧洞一般斷面小，洞線長(zhǎng)，工序多，干擾大，施工條件差，工期較長(zhǎng)。施工條件差，工期較長(zhǎng)。 例：馮家山例：馮家山12.6km12.6km；引大入秦工程的盤(pán)道嶺；引大入秦工程的盤(pán)道嶺洞長(zhǎng)洞長(zhǎng)15

6、.7km15.7km；引黃南線；引黃南線7 7洞長(zhǎng)洞長(zhǎng)42.9km42.9km；昆明掌鳩；昆明掌鳩河、寧波白溪河、寧波白溪100km100km。三、水工隧洞的組成三、水工隧洞的組成 (1) (1)進(jìn)口段進(jìn)口段 控制水流。包括攔污柵、進(jìn)水喇叭口、閘門(mén)控制水流。包括攔污柵、進(jìn)水喇叭口、閘門(mén)室及漸變段等。室及漸變段等。 (2)(2)洞身段洞身段 輸送水流。一般都需進(jìn)行襯砌。輸送水流。一般都需進(jìn)行襯砌。 (3)(3)出口段出口段 連接消能設(shè)施。無(wú)壓泄水隧洞的出口僅設(shè)有門(mén)連接消能設(shè)施。無(wú)壓泄水隧洞的出口僅設(shè)有門(mén)框，壓力泄水隧洞的出口一般設(shè)有漸變段及工作閘門(mén)室?？?，壓力泄水隧洞的出口一般設(shè)有漸變段及工作閘

7、門(mén)室。一、水工隧洞的布置一、水工隧洞的布置8.2 8.2 水工隧洞的布置水工隧洞的布置 1.1.總體布置總體布置 (1)(1)應(yīng)根據(jù)樞紐承擔(dān)的任務(wù)，對(duì)泄水建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃。應(yīng)根據(jù)樞紐承擔(dān)的任務(wù)，對(duì)泄水建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃。 (2)(2)在選定洞線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，在選定洞線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、水流條件，選定進(jìn)口位置及進(jìn)結(jié)構(gòu)形成，確定閘門(mén)在洞中的位置。選定進(jìn)口位置及進(jìn)結(jié)構(gòu)形成，確定閘門(mén)在洞中的位置。 (3)(3)確定縱坡確定縱坡i i、橫斷面形狀及尺寸。、橫斷面形狀及尺寸。 (4)(4)根據(jù)地形、地質(zhì)、尾水位等條件確定出口位置，底板根據(jù)地形、地質(zhì)、尾水位等條件確定出口位置

8、，底板高程及消能方式。高程及消能方式。 (5)(5)還應(yīng)考慮臨時(shí)占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施還應(yīng)考慮臨時(shí)占地、永久占地、植被破壞和恢復(fù)、施工污染、運(yùn)行期地下水位變化等對(duì)環(huán)境的影響和水土保持的工污染、運(yùn)行期地下水位變化等對(duì)環(huán)境的影響和水土保持的要求。要求。2.2.線路選擇線路選擇 選線關(guān)系到工程造價(jià)、施工難易、工期長(zhǎng)短和運(yùn)行可選線關(guān)系到工程造價(jià)、施工難易、工期長(zhǎng)短和運(yùn)行可靠性等方面?？啃缘确矫?。 (1)(1)隧洞得線路應(yīng)盡量避開(kāi)不利得地質(zhì)構(gòu)造隧洞得線路應(yīng)盡量避開(kāi)不利得地質(zhì)構(gòu)造、圍巖可能?chē)鷰r可能不穩(wěn)定及地下水位高不穩(wěn)定及地下水位高、滲流量豐富得地段，以減少作用于滲流量豐富得地段，以減少作用于

9、襯砌上得圍巖壓力和外水壓力。襯砌上得圍巖壓力和外水壓力。 (2)(2)在平面上應(yīng)力求短、直，這樣既可以減少工程費(fèi)用，在平面上應(yīng)力求短、直，這樣既可以減少工程費(fèi)用，方便施工、減少水頭損失，便于施工。方便施工、減少水頭損失，便于施工。 轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎時(shí): : 當(dāng)當(dāng)v v20m/s20m/s，R5BR5B（5D5D）；）； 當(dāng)當(dāng)v v20m/s20m/s，R3BR3B（3D3D）。）。 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角60o60o。 彎道兩端得直線段彎道兩端得直線段S5BS5B（5D5D）。）。 (3)(3)隧洞應(yīng)有一定得埋藏深度隧洞應(yīng)有一定得埋藏深度 進(jìn)、出口：頂部巖體厚度進(jìn)、出口：頂部巖體厚度1B1B（1D1D）。）。 有

10、壓隧洞洞身，圍巖厚度有壓隧洞洞身，圍巖厚度3D3D。工程經(jīng)驗(yàn)：。工程經(jīng)驗(yàn)： 襯砌：圍巖厚度襯砌：圍巖厚度T0.4HT0.4H（H H為內(nèi)水壓力水頭）；為內(nèi)水壓力水頭）； 不襯砌或錨噴：圍巖厚度不襯砌或錨噴：圍巖厚度T1.0HT1.0H，應(yīng)滿(mǎn)足不發(fā)生滲流失穩(wěn)，應(yīng)滿(mǎn)足不發(fā)生滲流失穩(wěn)和水力劈裂的要求。和水力劈裂的要求。(4)(4)縱坡縱坡: :應(yīng)根據(jù)水利條件運(yùn)用要求、用途、上下游應(yīng)根據(jù)水利條件運(yùn)用要求、用途、上下游銜接、施工和檢修等因素綜合分析比較后確定。銜接、施工和檢修等因素綜合分析比較后確定。無(wú)壓洞：無(wú)壓洞：i iikik。有壓洞：取決于進(jìn)口高程和出口高程，要求保持不有壓洞：取決于進(jìn)口高程和出口

11、高程，要求保持不小于小于2m2m的壓力水頭。不宜采用平坡或反坡，因其不利于檢的壓力水頭。不宜采用平坡或反坡，因其不利于檢修排水。修排水。n施工：有軌運(yùn)輸施工：有軌運(yùn)輸i=35i=35，但，但i10i10；n 無(wú)軌運(yùn)輸無(wú)軌運(yùn)輸i=315i=315，最大，最大i20i20。 (5)(5)對(duì)于長(zhǎng)隧洞，應(yīng)利用地形、地質(zhì)條件、布置一些對(duì)于長(zhǎng)隧洞，應(yīng)利用地形、地質(zhì)條件、布置一些施工支洞、斜井、豎井，以增加工作面，加快施工進(jìn)度。施工支洞、斜井、豎井，以增加工作面，加快施工進(jìn)度。例引灤入津工程在例引灤入津工程在9.68km9.68km的引水隧洞中布置了的引水隧洞中布置了1515個(gè)斜支個(gè)斜支洞、洞、4 4個(gè)豎井

12、。個(gè)豎井。9680/20=484m9680/20=484m。 二、閘門(mén)在隧洞中的布置二、閘門(mén)在隧洞中的布置 一般布置工作閘門(mén)，檢修閘門(mén)兩道門(mén)（或事故閘門(mén)）。一般布置工作閘門(mén)，檢修閘門(mén)兩道門(mén)（或事故閘門(mén)）。1.1.檢修門(mén)：一般設(shè)在進(jìn)口，有時(shí)也設(shè)在出口。檢修門(mén)：一般設(shè)在進(jìn)口，有時(shí)也設(shè)在出口。例劉家峽泄洪洞例劉家峽泄洪洞P386P386圖圖8-28-2（a a）。）。 事故檢修門(mén)：大、中型工程為滿(mǎn)足發(fā)電事故的需要。事故檢修門(mén)：大、中型工程為滿(mǎn)足發(fā)電事故的需要。 2.2.工作門(mén)：可以布置在進(jìn)口、出口或隧工作門(mén)：可以布置在進(jìn)口、出口或隧洞中某一位置。洞中某一位置。 （1 1）設(shè)在進(jìn)口：一般為無(wú)壓洞。）設(shè)

13、在進(jìn)口：一般為無(wú)壓洞。優(yōu)點(diǎn)：檢修門(mén)和工作門(mén)都在首部，運(yùn)行管理方便；洞內(nèi)無(wú)優(yōu)點(diǎn)：檢修門(mén)和工作門(mén)都在首部，運(yùn)行管理方便；洞內(nèi)無(wú)壓，有利于山坡穩(wěn)定；易于檢查和維修。壓，有利于山坡穩(wěn)定；易于檢查和維修。缺點(diǎn)：如體形設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工質(zhì)量不良，流速大的部位會(huì)缺點(diǎn)：如體形設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工質(zhì)量不良，流速大的部位會(huì)發(fā)生空蝕。馮家山、流溪河。發(fā)生空蝕。馮家山、流溪河。 （2 2）布置在出口：有壓洞。）布置在出口：有壓洞。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：洞內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)；門(mén)后通氣條件好，便于部分開(kāi)：洞內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)；門(mén)后通氣條件好，便于部分開(kāi)啟；工作閘門(mén)的控制結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，管理方便；隧洞線路布啟；工作閘門(mén)的控制結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，管理方便；隧洞線路布置

14、適應(yīng)性強(qiáng)。置適應(yīng)性強(qiáng)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：洞內(nèi)經(jīng)常承受較大的內(nèi)水壓力，一旦襯砌漏水，：洞內(nèi)經(jīng)常承受較大的內(nèi)水壓力，一旦襯砌漏水，對(duì)巖坡及土石壩等建筑物的穩(wěn)定將產(chǎn)生不利影響。對(duì)巖坡及土石壩等建筑物的穩(wěn)定將產(chǎn)生不利影響。實(shí)際工程中，常在進(jìn)口設(shè)事故檢修門(mén)，平時(shí)也可用以擋水。實(shí)際工程中，常在進(jìn)口設(shè)事故檢修門(mén)，平時(shí)也可用以擋水。 （3 3）布置在洞身某一位置）布置在洞身某一位置 由于隧洞線路平面上需要轉(zhuǎn)彎，工作閘門(mén)室設(shè)在轉(zhuǎn)由于隧洞線路平面上需要轉(zhuǎn)彎，工作閘門(mén)室設(shè)在轉(zhuǎn)彎后，彎道為有壓，直線段為無(wú)壓。例三門(mén)峽排沙、泄洪彎后，彎道為有壓，直線段為無(wú)壓。例三門(mén)峽排沙、泄洪洞；東江右岸泄洪洞；碧口岸泄洪洞。洞；東江右岸泄

15、洪洞；碧口岸泄洪洞。 洞內(nèi)某處較出口處的地質(zhì)條件好，工作閘門(mén)布置在洞內(nèi)某處較出口處的地質(zhì)條件好，工作閘門(mén)布置在洞中，可以利用巖體承受閘門(mén)傳輸?shù)乃畡?dòng)力。洞中，可以利用巖體承受閘門(mén)傳輸?shù)乃畡?dòng)力。三、多用途隧洞的布置三、多用途隧洞的布置 1.1.泄洪洞與導(dǎo)流洞合一布置泄洪洞與導(dǎo)流洞合一布置 常作成常作成“龍?zhí)ь^龍?zhí)ь^”式，在進(jìn)口之后用拋物線段、式，在進(jìn)口之后用拋物線段、斜坡斜坡段、及反弧段與較低的洞身相連接。段、及反弧段與較低的洞身相連接?！褒?zhí)ь^龍?zhí)ь^”式式泄泄洪洞，一般式水頭高，流速大，反弧及下游易遭空洪洞，一般式水頭高，流速大，反弧及下游易遭空蝕破壞，為了避免空蝕，應(yīng)做好體形設(shè)計(jì)，控制施蝕破壞

16、，為了避免空蝕，應(yīng)做好體形設(shè)計(jì)，控制施工質(zhì)量。限制不平跨度，并選用適當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措工質(zhì)量。限制不平跨度，并選用適當(dāng)?shù)膿綒鉁p蝕措施。如：劉家峽、碧口、石頭河、毛家村等工程施。如：劉家峽、碧口、石頭河、毛家村等工程2.2.泄洪洞與發(fā)電洞合一布置布置型式泄洪洞與發(fā)電洞合一布置布置型式 主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞發(fā)電（岔洞發(fā)電）。洞內(nèi)流主洞泄洪（直洞泄洪）、支洞發(fā)電（岔洞發(fā)電）。洞內(nèi)流態(tài)較好，岔尖附近的負(fù)壓相對(duì)較小，發(fā)電支洞回流強(qiáng)度弱，范態(tài)較好，岔尖附近的負(fù)壓相對(duì)較小，發(fā)電支洞回流強(qiáng)度弱，范圍也小。但泄洪時(shí)，由于洞內(nèi)流速加大，有效水頭降低，出力圍也小。但泄洪時(shí)，由于洞內(nèi)流速加大，有效水頭降低，出力相應(yīng)

17、減小。相應(yīng)減小。 主洞發(fā)電、支洞泄洪。主洞發(fā)電、支洞泄洪。存在問(wèn)題：存在問(wèn)題： 1.1.岔尖處的水流流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生不利負(fù)壓和空蝕。岔尖處的水流流態(tài)復(fù)雜，容易產(chǎn)生不利負(fù)壓和空蝕。 2.2.泄洪時(shí)對(duì)發(fā)電不利。分岔角一般在泄洪時(shí)對(duì)發(fā)電不利。分岔角一般在30306060之間。之間。 當(dāng)主洞泄洪時(shí)：當(dāng)主洞泄洪時(shí)：0.850.85；支洞泄洪：；支洞泄洪：0.70.7。（指泄洪的主洞或支洞，指泄洪的主洞或支洞， ） 洞身出口 3 3其他任務(wù)隧洞的合一布置其他任務(wù)隧洞的合一布置 發(fā)電與灌溉洞合一。發(fā)電后的尾水用于發(fā)電與灌溉洞合一。發(fā)電后的尾水用于灌溉。主要問(wèn)題是用水上的矛盾。灌溉。主要問(wèn)題是用水上的矛盾。

18、 泄洪與排沙隧洞合一。由于排沙洞的進(jìn)泄洪與排沙隧洞合一。由于排沙洞的進(jìn)口高程較低，施工期還可結(jié)合導(dǎo)流，導(dǎo)流完口高程較低，施工期還可結(jié)合導(dǎo)流，導(dǎo)流完成后改建為泄洪排沙洞。但對(duì)于高水頭情成后改建為泄洪排沙洞。但對(duì)于高水頭情況，在設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真研究高流速含沙水流況，在設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真研究高流速含沙水流的沖蝕、磨損及消能問(wèn)題。的沖蝕、磨損及消能問(wèn)題。8-3 8-3 隧洞進(jìn)口段隧洞進(jìn)口段一、進(jìn)口型式及計(jì)算要點(diǎn)一、進(jìn)口型式及計(jì)算要點(diǎn)1. 1. 豎井式豎井式 390390 豎井式進(jìn)水口是在隧洞進(jìn)口附近的巖體中開(kāi)挖豎井，井壁豎井式進(jìn)水口是在隧洞進(jìn)口附近的巖體中開(kāi)挖豎井，井壁襯砌，閘門(mén)設(shè)在井的底部，井的頂部布置啟

19、閉機(jī)械及操縱室。襯砌，閘門(mén)設(shè)在井的底部，井的頂部布置啟閉機(jī)械及操縱室。 優(yōu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受風(fēng)浪、水的影響，抗震及穩(wěn)定好，地優(yōu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受風(fēng)浪、水的影響，抗震及穩(wěn)定好，地形條件適宜時(shí)，工程量較小。形條件適宜時(shí)，工程量較小。 缺：豎井開(kāi)挖比較困難，豎井前的一段隧洞檢修不便。缺：豎井開(kāi)挖比較困難，豎井前的一段隧洞檢修不便。 適用：地質(zhì)條件較好情況。例：新豐江增建的泄洪洞。適用：地質(zhì)條件較好情況。例：新豐江增建的泄洪洞。 干井干井弧門(mén)，井后為無(wú)壓?；￠T(mén)，井后為無(wú)壓。 濕井濕井平門(mén)，井后為壓力洞，只有檢修時(shí)井內(nèi)無(wú)水。平門(mén)，井后為壓力洞，只有檢修時(shí)井內(nèi)無(wú)水。 計(jì)算要點(diǎn)：沿井的不同高度，截取斷面，按單位

20、高度的封計(jì)算要點(diǎn)：沿井的不同高度，截取斷面，按單位高度的封閉或框架進(jìn)行分析。閉或框架進(jìn)行分析。 2. 2. 塔式塔式 獨(dú)立于隧洞首部而不依靠巖坡的封閉式塔或框架式塔，塔底裝設(shè)閘獨(dú)立于隧洞首部而不依靠巖坡的封閉式塔或框架式塔，塔底裝設(shè)閘門(mén)。門(mén)。 例：石頭河泄洪洞（封閉式）、陸渾（框架）、劉家峽導(dǎo)流洞、例：石頭河泄洪洞（封閉式）、陸渾（框架）、劉家峽導(dǎo)流洞、碧口和南水泄洪洞。碧口和南水泄洪洞。 封閉式塔斷面：矩形，大、中型多采用；圓形；多邊形。封閉式塔斷面：矩形，大、中型多采用；圓形；多邊形。 優(yōu)：開(kāi)挖量小，可在不同高程設(shè)置取水口，取用上層溫度較高的優(yōu)：開(kāi)挖量小，可在不同高程設(shè)置取水口，取用上層溫

21、度較高的清水。清水。 缺：受風(fēng)浪、地震、冰的影響大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，需要工作橋缺：受風(fēng)浪、地震、冰的影響大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，需要工作橋與庫(kù)岸相連。與庫(kù)岸相連。 適用：岸坡巖石較差，覆蓋層較厚，不宜采用靠岸進(jìn)水口時(shí)。適用：岸坡巖石較差，覆蓋層較厚，不宜采用靠岸進(jìn)水口時(shí)。 計(jì)算要點(diǎn)：塔身時(shí)直立的懸臂結(jié)構(gòu)，需計(jì)算塔身的抗傾、抗滑穩(wěn)定。計(jì)算要點(diǎn)：塔身時(shí)直立的懸臂結(jié)構(gòu)，需計(jì)算塔身的抗傾、抗滑穩(wěn)定。按封閉框架計(jì)算單位的高度的橫斷面的水平應(yīng)力，按懸臂計(jì)算鉛直應(yīng)按封閉框架計(jì)算單位的高度的橫斷面的水平應(yīng)力，按懸臂計(jì)算鉛直應(yīng)力（將立體框架簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題計(jì)算）。力（將立體框架簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題計(jì)算）。3. 3. 岸塔式

22、岸塔式 391391 靠在開(kāi)挖后洞臉巖坡上直立的或傾斜的進(jìn)水塔。有直靠在開(kāi)挖后洞臉巖坡上直立的或傾斜的進(jìn)水塔。有直立地、傾斜的（圖立地、傾斜的（圖8585） 優(yōu)：穩(wěn)定性比塔式好，施工、安裝比較方便，無(wú)須接優(yōu)：穩(wěn)定性比塔式好，施工、安裝比較方便，無(wú)須接岸橋梁。岸橋梁。 缺：受風(fēng)浪、冰、地震優(yōu)一定影響。缺：受風(fēng)浪、冰、地震優(yōu)一定影響。 適用：于岸坡較陡，巖體比較堅(jiān)固穩(wěn)定的情況。適用：于岸坡較陡，巖體比較堅(jiān)固穩(wěn)定的情況。 計(jì)算要點(diǎn)：基本方法同塔式，另外應(yīng)考慮塔背是否作計(jì)算要點(diǎn)：基本方法同塔式，另外應(yīng)考慮塔背是否作用有巖石壓力。用有巖石壓力。4. 4. 斜坡式斜坡式 在較為完整的巖坡上進(jìn)行平整開(kāi)挖、護(hù)

23、砌而成在較為完整的巖坡上進(jìn)行平整開(kāi)挖、護(hù)砌而成的一種進(jìn)水口。的一種進(jìn)水口。 例：響洪甸、磨子潭泄洪洞。例：響洪甸、磨子潭泄洪洞。 優(yōu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工、安裝方便，穩(wěn)定性好，優(yōu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工、安裝方便，穩(wěn)定性好，工程量小。工程量小。 缺：閘門(mén)面積加大，關(guān)門(mén)時(shí)不易靠自垂下降。缺：閘門(mén)面積加大，關(guān)門(mén)時(shí)不易靠自垂下降。 適用：于中、小型工程，或只用于安設(shè)檢修閘適用：于中、小型工程，或只用于安設(shè)檢修閘門(mén)的進(jìn)水口。門(mén)的進(jìn)水口。5.5.組合式組合式 387387 上塔下井式，圖上塔下井式，圖8383（a a）；）； 上塔下岸塔式，圖上塔下岸塔式，圖8383（b b）。）。二、進(jìn)口段的組成二、進(jìn)口段的組成 包

24、括：進(jìn)水喇叭口、閘門(mén)室、通氣孔、平壓管、漸變段等幾部分。包括：進(jìn)水喇叭口、閘門(mén)室、通氣孔、平壓管、漸變段等幾部分。1.1.進(jìn)水喇叭口進(jìn)水喇叭口 位置：在隧洞的首部位置：在隧洞的首部 要求：要求： 其體形與孔口水流的形態(tài)相適應(yīng)，使水流平順通過(guò)，而不致脫其體形與孔口水流的形態(tài)相適應(yīng)，使水流平順通過(guò)，而不致脫壁。壁。 避免產(chǎn)生不利的負(fù)壓合空隙破壞。避免產(chǎn)生不利的負(fù)壓合空隙破壞。 減少局部水頭損失，以提高泄流能力。減少局部水頭損失，以提高泄流能力。 體型：常采用矩形斷面，頂板和邊墻順?biāo)鞣较蛉媸湛s，平底。體型：常采用矩形斷面，頂板和邊墻順?biāo)鞣较蛉媸湛s，平底。喇叭口的頂板和邊墻常采用橢圓曲線，其方

25、程為：喇叭口的頂板和邊墻常采用橢圓曲線，其方程為：12222byax式式中：中：a a 長(zhǎng)半軸，頂板：長(zhǎng)半軸，頂板：a=Ha=H（孔口高）；（孔口高）； 邊墻邊墻: a=B: a=B（孔口寬）（孔口寬） bb短半軸短半軸 頂板：頂板：b=H/3 b=H/3 邊墻：邊墻：b=b=（1/31/31/51/5）B B對(duì)于重要的工程，進(jìn)口曲線，應(yīng)通過(guò)水工模型試驗(yàn)確定。對(duì)于重要的工程，進(jìn)口曲線，應(yīng)通過(guò)水工模型試驗(yàn)確定。 無(wú)壓隧洞的壓力進(jìn)口頂板，在檢修閘門(mén)上游通常式一無(wú)壓隧洞的壓力進(jìn)口頂板，在檢修閘門(mén)上游通常式一段傾斜的橢圓曲線，以便與檢修閘門(mén)和工作門(mén)之間的頂板銜段傾斜的橢圓曲線，以便與檢修閘門(mén)和工作門(mén)之

26、間的頂板銜接，此頂板以接，此頂板以1 1：4 41 1：6 6的坡度向下游縮，以增加進(jìn)口段的的坡度向下游縮，以增加進(jìn)口段的壓力，防止發(fā)生空蝕。壓力，防止發(fā)生空蝕。 檢修門(mén)槽前的入口段長(zhǎng)度檢修門(mén)槽前的入口段長(zhǎng)度L=L=（0.80.81 1）H H（孔口（孔口高）。檢修門(mén)槽與工作閘門(mén)之間的頂板也應(yīng)布置成壓坡段，高）。檢修門(mén)槽與工作閘門(mén)之間的頂板也應(yīng)布置成壓坡段，（目的：收縮斷面進(jìn)一步改善進(jìn)口的壓力分布和水流態(tài)）。（目的：收縮斷面進(jìn)一步改善進(jìn)口的壓力分布和水流態(tài)）。2.2.通氣孔通氣孔 （1 1）位置：）位置： 設(shè)在泄水隧洞進(jìn)口或中部的工作閘門(mén)之后。設(shè)在泄水隧洞進(jìn)口或中部的工作閘門(mén)之后。 設(shè)在檢修門(mén)

27、和工作門(mén)之間。設(shè)在檢修門(mén)和工作門(mén)之間。 （2 2）作用：）作用： 工作閘門(mén)在各級(jí)開(kāi)度情況下補(bǔ)氣；工作閘門(mén)在各級(jí)開(kāi)度情況下補(bǔ)氣；檢修時(shí)補(bǔ)氣。檢修時(shí)補(bǔ)氣。 檢修完畢，工作閘門(mén)和檢修門(mén)之間充分輸水直至檢修完畢，工作閘門(mén)和檢修門(mén)之間充分輸水直至平壓，在此過(guò)程中排氣。平壓，在此過(guò)程中排氣。（3 3）布置上注意點(diǎn)：）布置上注意點(diǎn)： 通氣孔的進(jìn)口必須與閘門(mén)啟閉機(jī)室分開(kāi)，因?yàn)檫M(jìn)通氣孔的進(jìn)口必須與閘門(mén)啟閉機(jī)室分開(kāi)，因?yàn)檫M(jìn)口處氣流速度大，以免在補(bǔ)氣、排氣時(shí)，影響工作人員口處氣流速度大，以免在補(bǔ)氣、排氣時(shí)，影響工作人員的安全。的安全。Va4045m/sVa4045m/s 孔管應(yīng)力求減少轉(zhuǎn)彎，突變，以減少阻力。孔管應(yīng)

28、力求減少轉(zhuǎn)彎，突變，以減少阻力。 （4 4）通氣量的計(jì)算及通氣孔設(shè)計(jì)）通氣量的計(jì)算及通氣孔設(shè)計(jì) 通氣孔應(yīng)按正常的泄流情況設(shè)計(jì)，其斷面多為圓通氣孔應(yīng)按正常的泄流情況設(shè)計(jì)，其斷面多為圓形，其大小決定于通氣量和允許風(fēng)速。通氣量與泄水流形，其大小決定于通氣量和允許風(fēng)速。通氣量與泄水流量及下游洞內(nèi)流態(tài)有關(guān)。量及下游洞內(nèi)流態(tài)有關(guān)。 目前多采用一些經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式。目前多采用一些經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式。 對(duì)于泄水隧洞中的工作閘門(mén)和事故閘門(mén)的通氣對(duì)于泄水隧洞中的工作閘門(mén)和事故閘門(mén)的通氣孔：（同重力壩）孔：（同重力壩）09. 0aawaVQaAVQ 其中：其中：AA隧洞斷面積隧洞斷面積 對(duì)于高水頭大型工程中重

29、要閘門(mén)后的通氣孔（無(wú)對(duì)于高水頭大型工程中重要閘門(mén)后的通氣孔（無(wú)壓隧洞或管道）壓隧洞或管道） 2/122 .211LgaBVAAVQwaaawa式中式中 A Aa a閘門(mén)后隧洞或管道水面以上的斷面面積，閘門(mén)后隧洞或管道水面以上的斷面面積，m m2 2，A Aa a一般小一般小于于0.30.3倍隧洞或管道的斷面積；倍隧洞或管道的斷面積； 通氣孔的風(fēng)速系數(shù)，可取通氣孔的風(fēng)速系數(shù)，可取0.60.6； BB閘門(mén)處孔口寬度，閘門(mén)處孔口寬度，m m； aa通氣孔的斷面面積，通氣孔的斷面面積，m m2 2； LL閘門(mén)后隧洞的長(zhǎng)度，閘門(mén)后隧洞的長(zhǎng)度，m m； VwVw閘門(mén)孔口處的水流流速，閘門(mén)孔口處的水流流速，

30、m/sm/s； gg重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2。 aa a、求得、求得Q Qa a后，再以后，再以 aQVaa ，驗(yàn)算，驗(yàn)算smVVaa/5040 。否則，。否則，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿(mǎn)足為止。重復(fù)上述計(jì)算，直到滿(mǎn)足為止。 檢修門(mén)后得通氣孔面積，一般以大于或等于充水平壓閥的面積為檢修門(mén)后得通氣孔面積，一般以大于或等于充水平壓閥的面積為宜。宜。 n計(jì)算的先假定計(jì)算的先假定a、求得、求得Qa后，再以后，再以 ，n驗(yàn)算驗(yàn)算 。n否則，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿(mǎn)足為止。否則，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿(mǎn)足為止。n計(jì)算的先假定計(jì)算的先假定aQVaasmVVaa/50401.21.2，這主要是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響

31、的結(jié)果，這主要是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的結(jié)果 由于影響因素多，目前無(wú)法用數(shù)學(xué)，力學(xué)法分析計(jì)算，由于影響因素多，目前無(wú)法用數(shù)學(xué)，力學(xué)法分析計(jì)算，只能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。只能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。3.3.地應(yīng)力實(shí)測(cè)方法地應(yīng)力實(shí)測(cè)方法 應(yīng)力解除法：通過(guò)切槽或鉆孔解除應(yīng)力而測(cè)得巖應(yīng)力解除法：通過(guò)切槽或鉆孔解除應(yīng)力而測(cè)得巖石的應(yīng)變以推求其初始應(yīng)力。石的應(yīng)變以推求其初始應(yīng)力。 應(yīng)力恢復(fù)法：巖體中的應(yīng)力解除后，不是通過(guò)應(yīng)力恢復(fù)法：巖體中的應(yīng)力解除后，不是通過(guò)巖體的變形特性來(lái)推求巖體中的應(yīng)力值，而是通過(guò)施加巖體的變形特性來(lái)推求巖體中的應(yīng)力值，而是通過(guò)施加壓力，使巖體恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，以求得巖體在應(yīng)力解壓力，使巖體恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，以求得巖體

32、在應(yīng)力解除前的應(yīng)力值。除前的應(yīng)力值。 以上測(cè)得的是巖體中一點(diǎn)的應(yīng)力，至于整個(gè)巖體中以上測(cè)得的是巖體中一點(diǎn)的應(yīng)力，至于整個(gè)巖體中初始應(yīng)力的分布情況，目前還不能根據(jù)有限的測(cè)點(diǎn)的結(jié)初始應(yīng)力的分布情況，目前還不能根據(jù)有限的測(cè)點(diǎn)的結(jié)果來(lái)加以確定。果來(lái)加以確定。 巖體及上覆巖石的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本原因之一，巖體及上覆巖石的重量是形成巖體初始應(yīng)力的基本原因之一，巖體自重作用不僅產(chǎn)生垂直應(yīng)力，而且借助巖體自重作用不僅產(chǎn)生垂直應(yīng)力，而且借助“泊松效應(yīng)泊松效應(yīng)”和流變效應(yīng)和流變效應(yīng)而產(chǎn)生水平應(yīng)力。而產(chǎn)生水平應(yīng)力。 初始應(yīng)力的形成，取決于地形及地殼結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這通常有是初始應(yīng)力的形成，取決于地形及地殼結(jié)構(gòu)運(yùn)

33、動(dòng)，這通常有是高的水平應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。高的水平應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。 許多地區(qū)巖體初始應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明：水平應(yīng)力大大超過(guò)上許多地區(qū)巖體初始應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明：水平應(yīng)力大大超過(guò)上覆巖體的重量算得的結(jié)果，這是由于構(gòu)造動(dòng)力學(xué)方面的原因，或地質(zhì)覆巖體的重量算得的結(jié)果，這是由于構(gòu)造動(dòng)力學(xué)方面的原因，或地質(zhì)剝蝕的原因。剝蝕的原因。 天然巖體中的斷層，對(duì)初始應(yīng)力起著解除或部分解除的作用。天然巖體中的斷層，對(duì)初始應(yīng)力起著解除或部分解除的作用。4.4.對(duì)巖體初始應(yīng)力的初步認(rèn)識(shí)對(duì)巖體初始應(yīng)力的初步認(rèn)識(shí)在高地應(yīng)力地區(qū)堅(jiān)硬完整的巖石，在一定地質(zhì)條件下，在高地應(yīng)力地區(qū)堅(jiān)硬完整的巖石，在一定地質(zhì)條件下，可以聚集大量的能量

34、，從而形成高的天然內(nèi)應(yīng)力，一旦可以聚集大量的能量，從而形成高的天然內(nèi)應(yīng)力，一旦開(kāi)挖，出現(xiàn)自由邊界，切向應(yīng)力急劇增加，能量進(jìn)一步開(kāi)挖，出現(xiàn)自由邊界，切向應(yīng)力急劇增加，能量進(jìn)一步集中，在高應(yīng)力作用下，巖塊會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性脆性破裂、集中，在高應(yīng)力作用下，巖塊會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性脆性破裂、飛散，伴隨著巨大的聲響，形成飛散，伴隨著巨大的聲響，形成 “ “巖爆巖爆”現(xiàn)象。巖爆現(xiàn)象。巖爆會(huì)危及人身安全，影響施工。目前，防止巖爆多采用錨會(huì)危及人身安全，影響施工。目前，防止巖爆多采用錨桿、噴砼等措施，但實(shí)施時(shí)要在巖爆發(fā)生前或發(fā)生期間桿、噴砼等措施，但實(shí)施時(shí)要在巖爆發(fā)生前或發(fā)生期間進(jìn)行，對(duì)施工人員不安全。近年來(lái)有的工程采用預(yù)

35、鉆排進(jìn)行，對(duì)施工人員不安全。近年來(lái)有的工程采用預(yù)鉆排孔（超前排孔）法，以防止或削弱巖爆的發(fā)生?？祝ǔ芭趴祝┓ǎ苑乐够蛳魅鯉r爆的發(fā)生。P419P419二、圍巖的應(yīng)力集中二、圍巖的應(yīng)力集中 應(yīng)力重分布：當(dāng)在巖體中開(kāi)挖洞室時(shí)，洞室圍巖的初應(yīng)力重分布：當(dāng)在巖體中開(kāi)挖洞室時(shí)，洞室圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力重分布。始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力重分布。 圍巖：產(chǎn)生應(yīng)力重分布的這部分巖體叫圍巖。圍巖：產(chǎn)生應(yīng)力重分布的這部分巖體叫圍巖。 在洞室周邊某些部位（形狀突變、薄弱區(qū)）出現(xiàn)應(yīng)在洞室周邊某些部位（形狀突變、薄弱區(qū)）出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。力集中，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。 應(yīng)力重分布在

36、洞室周邊最為顯著，遠(yuǎn)離洞壁，影響應(yīng)力重分布在洞室周邊最為顯著，遠(yuǎn)離洞壁，影響減?。粦?yīng)力重分布與初始應(yīng)力狀態(tài)，洞室的斷面形狀和減??；應(yīng)力重分布與初始應(yīng)力狀態(tài)，洞室的斷面形狀和尺寸，巖體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)尺寸，巖體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)。 假定巖體為連續(xù)、均勻、各向同性的彈塑性體，初始應(yīng)力假定巖體為連續(xù)、均勻、各向同性的彈塑性體，初始應(yīng)力符合靜水壓力條件，對(duì)于圓形洞室，按軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的平衡微分符合靜水壓力條件，對(duì)于圓形洞室，按軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的平衡微分方程，利用莫爾一庫(kù)侖（方程，利用莫爾一庫(kù)侖（MohrCoulomb MohrCoulomb ） 塑性準(zhǔn)則及彈塑性界面上的應(yīng)力相等條件，當(dāng)洞室周邊不塑性準(zhǔn)則及彈塑性界

37、面上的應(yīng)力相等條件，當(dāng)洞室周邊不存在支護(hù)抗力時(shí)，可求得任意點(diǎn)的徑向應(yīng)力存在支護(hù)抗力時(shí)，可求得任意點(diǎn)的徑向應(yīng)力rr、切向應(yīng)力、切向應(yīng)力tt及塑性區(qū)半徑及塑性區(qū)半徑R R的計(jì)算式為的計(jì)算式為1)(sin1sin11)(sin1sin2sin1sin2otorrrcctgrrcctgsin2sin1)sin1 (1cctgprRoo（1） （2 2） 巖石的內(nèi)摩擦角；巖石的內(nèi)摩擦角；c c巖石的凝聚力；巖石的凝聚力；r ro o圓形洞室的開(kāi)挖半徑；圓形洞室的開(kāi)挖半徑；r r塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的半徑；塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的半徑；p po o巖體的初始應(yīng)力。巖體的初始應(yīng)力。公式（公式（1 1）、（）、（2 2）只

38、能用于）只能用于=1=1的圓洞情況，應(yīng)力分布見(jiàn)圖的圓洞情況，應(yīng)力分布見(jiàn)圖825825。其他情況可用彈塑性有限元法計(jì)算。（參看巖石力學(xué)）其他情況可用彈塑性有限元法計(jì)算。（參看巖石力學(xué)）式中式中 三、圍巖穩(wěn)定分析三、圍巖穩(wěn)定分析 1.1.目的：預(yù)估可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)、部位、范圍及其發(fā)生目的：預(yù)估可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)、部位、范圍及其發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，選擇適宜的支護(hù)方案，保證安全施工，改進(jìn)設(shè)計(jì)。和發(fā)展過(guò)程，選擇適宜的支護(hù)方案，保證安全施工，改進(jìn)設(shè)計(jì)。 2.2.分析方法：主要憑經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)作出判斷（影響因分析方法：主要憑經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)作出判斷（影響因素多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜，到目前為止，還不能完全依靠理論計(jì)算）

39、素多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜，到目前為止，還不能完全依靠理論計(jì)算） 3.3.分析內(nèi)容：分析內(nèi)容： 對(duì)初選隧洞斷面，結(jié)合地質(zhì)條件及其力學(xué)性質(zhì)，初始應(yīng)對(duì)初選隧洞斷面，結(jié)合地質(zhì)條件及其力學(xué)性質(zhì)，初始應(yīng)力，施工方法等，采用彈性理論公式或有限元計(jì)算圍巖壓力。力，施工方法等，采用彈性理論公式或有限元計(jì)算圍巖壓力。 如圍巖壓力超過(guò)巖體的彈性極限，可按彈塑性理論如圍巖壓力超過(guò)巖體的彈性極限，可按彈塑性理論計(jì)算塑性區(qū)的應(yīng)力，確定塑性區(qū)的范圍。計(jì)算塑性區(qū)的應(yīng)力，確定塑性區(qū)的范圍。 對(duì)洞室周邊可能出露的危石，按塊體平衡法進(jìn)行分對(duì)洞室周邊可能出露的危石，按塊體平衡法進(jìn)行分析。析。 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，主要測(cè)量一些選定點(diǎn)的位移，和點(diǎn)與點(diǎn)現(xiàn)

40、場(chǎng)量測(cè)，主要測(cè)量一些選定點(diǎn)的位移，和點(diǎn)與點(diǎn)之間的相對(duì)位移，畫(huà)出位移時(shí)間關(guān)系曲線，如位移超過(guò)之間的相對(duì)位移，畫(huà)出位移時(shí)間關(guān)系曲線，如位移超過(guò)“允許位移量允許位移量”或位移曲線突然變陡，表明圍巖將要失穩(wěn)，或位移曲線突然變陡，表明圍巖將要失穩(wěn)，椐此采用支護(hù)措施。椐此采用支護(hù)措施。 8-8 8-8 水工隧洞襯砌的荷載和荷載組合水工隧洞襯砌的荷載和荷載組合 目的：核算在設(shè)計(jì)規(guī)定的荷載組合條件下襯砌的強(qiáng)度，目的：核算在設(shè)計(jì)規(guī)定的荷載組合條件下襯砌的強(qiáng)度，使之使之 滿(mǎn)足規(guī)范要求。滿(mǎn)足規(guī)范要求。一、荷載一、荷載 荷載有：山巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、襯砌自重及荷載有：山巖壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、襯砌自重及灌

41、漿壓力，溫度荷載、地震力等。其中內(nèi)水壓力，自重比較灌漿壓力，溫度荷載、地震力等。其中內(nèi)水壓力，自重比較明確，而他力只能進(jìn)行近似計(jì)算。明確，而他力只能進(jìn)行近似計(jì)算。 ( (一一) )圍巖壓力（山巖壓力）圍巖壓力（山巖壓力） 隧洞開(kāi)挖后圍巖變形或塌落作用在支護(hù)上的壓力。隧洞開(kāi)挖后圍巖變形或塌落作用在支護(hù)上的壓力。 影響山巖壓力大小的因素：圍巖的地質(zhì)條件和力學(xué)特影響山巖壓力大小的因素：圍巖的地質(zhì)條件和力學(xué)特征（強(qiáng)度和變形性能節(jié)理，裂隙的分布和發(fā)征（強(qiáng)度和變形性能節(jié)理，裂隙的分布和發(fā)育情況）；初始育情況）；初始應(yīng)力，地下水，隧洞的走向，埋深和幾何形狀；開(kāi)挖方法；應(yīng)力，地下水，隧洞的走向，埋深和幾何形狀

42、；開(kāi)挖方法；襯護(hù)時(shí)間，襯護(hù)形式。襯護(hù)時(shí)間，襯護(hù)形式。 1.1.塌落拱法（松散介質(zhì)理論）（自然平衡拱法）塌落拱法（松散介質(zhì)理論）（自然平衡拱法） 此方法視巖體為具有一定的凝聚力的松散介質(zhì)，在洞此方法視巖體為具有一定的凝聚力的松散介質(zhì)，在洞室開(kāi)挖后，由于巖體失去平衡形成室開(kāi)挖后，由于巖體失去平衡形成“塔落拱塔落拱”，拱處的圍，拱處的圍巖仍保持平衡，拱內(nèi)巖塊重量就是作用再襯砌上的山巖巖仍保持平衡，拱內(nèi)巖塊重量就是作用再襯砌上的山巖壓力。壓力。 普氏公式：用普氏公式：用“堅(jiān)固系數(shù)堅(jiān)固系數(shù)”fKfK（亦稱(chēng)擬摩擦系數(shù)），（亦稱(chēng)擬摩擦系數(shù)），代替巖石顆粒間的真實(shí)摩擦系數(shù)：代替巖石顆粒間的真實(shí)摩擦系數(shù)： 平頂

43、隧洞平頂隧洞kRRfBhq2 式中式中 B B洞室開(kāi)挖寬度，洞室開(kāi)挖寬度，m m； f fk k巖石的堅(jiān)固系數(shù)，它反映巖石的堅(jiān)固性，其巖石的堅(jiān)固系數(shù)，它反映巖石的堅(jiān)固性，其一般數(shù)值為：砂、碎石、填土一般數(shù)值為：砂、碎石、填土f fk k=0.5=0.5，致密粘土，致密粘土f fk k=1.0=1.0，軟質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石f fk k=2.0=2.0，中等堅(jiān)固巖石，中等堅(jiān)固巖石f fk k=4.0=4.0，比較堅(jiān)固的巖，比較堅(jiān)固的巖石石f fk k=6.0=6.0，堅(jiān)固巖石，堅(jiān)固巖石f fk k=10=10或更大；或更大； 圓弧等曲線形洞頂：（鉛直山巖壓力可以減少圓弧等曲線形洞頂：（鉛直山巖壓力可以

44、減少30%30%） 當(dāng)當(dāng)f fk k22時(shí)，可以不計(jì)側(cè)向圍巖壓力。時(shí)，可以不計(jì)側(cè)向圍巖壓力。水工隧洞設(shè)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)規(guī)范（SD13484SD13484）提出，松散介質(zhì)理論公式可用）提出，松散介質(zhì)理論公式可用于按規(guī)范中圍巖穩(wěn)定性五級(jí)分類(lèi)中的不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定于按規(guī)范中圍巖穩(wěn)定性五級(jí)分類(lèi)中的不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定圍巖的圍巖壓力計(jì)算。圍巖的圍巖壓力計(jì)算。Rhoq7 . 2 2圍巖壓力系數(shù)法圍巖壓力系數(shù)法 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范（SL2792002SL2792002）規(guī)定，自穩(wěn)條）規(guī)定，自穩(wěn)條件好，開(kāi)挖后變形很快穩(wěn)定的圍巖，可不計(jì)圍巖壓力；薄件好，開(kāi)挖后變形很快穩(wěn)定的圍巖，可不計(jì)圍巖壓力；薄層狀

45、及碎裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力算層狀及碎裂散體結(jié)構(gòu)的圍巖，作用在襯砌上的圍巖壓力算式如下：式如下：式中式中 q q v v、q q h h分別為鉛直及水平向圍巖壓力強(qiáng)度；分別為鉛直及水平向圍巖壓力強(qiáng)度；B B、H H分別為洞室的開(kāi)挖寬度及高度；分別為洞室的開(kāi)挖寬度及高度；RRHqBq）1 .005.0()3 .02 .0(hv3 3彈塑性理論法彈塑性理論法 對(duì)于圓洞周邊上作用有支護(hù)力對(duì)于圓洞周邊上作用有支護(hù)力p ip i時(shí)（圖時(shí)（圖827827），按彈），按彈塑性理論及相應(yīng)的假定，同樣可求得塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的徑向塑性理論及相應(yīng)的假定，同樣可求得塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的徑向應(yīng)力應(yīng)力rr和切向

46、應(yīng)力和切向應(yīng)力tt的計(jì)算式的計(jì)算式: :sin1sin1)()(sin1sin2sin1sin2oitoirrrcctgpcctgrrcctgpcctg（1） 支護(hù)或襯砌對(duì)圍巖的反力，亦即圍巖壓力支護(hù)或襯砌對(duì)圍巖的反力，亦即圍巖壓力pipi，其與，其與塑性區(qū)半徑塑性區(qū)半徑R R的關(guān)系為的關(guān)系為式中式中 p p0 0巖體初始應(yīng)力；巖體初始應(yīng)力； 以上就是修正的芬諾（以上就是修正的芬諾（Fenner,R.Fenner,R.）公式。）公式。 分析上式可知，支護(hù)抗力分析上式可知，支護(hù)抗力pipi愈小，愈小，R R愈大；愈大；pipi愈大，出現(xiàn)塑性區(qū)的范圍也就愈小。當(dāng)愈大，出現(xiàn)塑性區(qū)的范圍也就愈小。當(dāng)R

47、=r0R=r0時(shí)，時(shí)，pipi達(dá)到達(dá)到最大值最大值sin2sin10)sin1(cctgpcctgprRiosin1sin20)(sin1)(Rrcctgpcctgpoi（2） （3） cos)sin1 (0maxcppi（4） 塑性區(qū)半徑塑性區(qū)半徑R R的發(fā)展與支護(hù)的時(shí)間有關(guān)。因此，采用適的發(fā)展與支護(hù)的時(shí)間有關(guān)。因此，采用適宜的柔性材料及時(shí)支護(hù)，既可保證施工安全，又可發(fā)揮圍宜的柔性材料及時(shí)支護(hù)，既可保證施工安全，又可發(fā)揮圍巖的自承作用，減輕作用在支護(hù)上的壓力。巖的自承作用，減輕作用在支護(hù)上的壓力。 愈小，愈小， R R愈大，有可能洞壁失穩(wěn)，應(yīng)及時(shí)支護(hù)；愈大，有可能洞壁失穩(wěn)，應(yīng)及時(shí)支護(hù)； 當(dāng)當(dāng)

48、c=0c=0，則，則pipi大于零，說(shuō)明破碎巖體需要支護(hù)；當(dāng)巖石比較大于零，說(shuō)明破碎巖體需要支護(hù)；當(dāng)巖石比較完整完整c c值較大時(shí)，洞壁有可能不加支護(hù)而自行穩(wěn)定。值較大時(shí)，洞壁有可能不加支護(hù)而自行穩(wěn)定。 彈塑性理論法也只能用于簡(jiǎn)單而理想的情況，一般很難彈塑性理論法也只能用于簡(jiǎn)單而理想的情況，一般很難符合實(shí)際。符合實(shí)際。 n4 4設(shè)計(jì)中對(duì)圍巖壓力的考慮設(shè)計(jì)中對(duì)圍巖壓力的考慮 由于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，圍巖壓力不可由于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，圍巖壓力不可能用一種理論公式予以概括。為此，需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)能用一種理論公式予以概括。為此，需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同圍巖采用不同的方法估

49、算圍巖壓力。不同圍巖采用不同的方法估算圍巖壓力。 對(duì)于地質(zhì)條件好，開(kāi)挖寬度不大且能自身維持穩(wěn)定的對(duì)于地質(zhì)條件好，開(kāi)挖寬度不大且能自身維持穩(wěn)定的堅(jiān)固完整或僅有少量密閉裂隙的巖體，可以不考慮圍巖壓力。堅(jiān)固完整或僅有少量密閉裂隙的巖體，可以不考慮圍巖壓力。 對(duì)有明顯的構(gòu)造斷裂或節(jié)理裂隙切割的巖體，可用塊對(duì)有明顯的構(gòu)造斷裂或節(jié)理裂隙切割的巖體，可用塊體平衡法估計(jì)可能塌落的巖塊以計(jì)算圍巖壓力。在洞室開(kāi)挖體平衡法估計(jì)可能塌落的巖塊以計(jì)算圍巖壓力。在洞室開(kāi)挖前可采用圍巖壓力系數(shù)法估算圍巖壓力。前可采用圍巖壓力系數(shù)法估算圍巖壓力。 對(duì)于松軟碎裂的巖體，可采用塌落拱法確定圍巖壓力。對(duì)于松軟碎裂的巖體，可采用塌落

50、拱法確定圍巖壓力。 對(duì)于重要而圍巖條件又復(fù)雜的工程，最好能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于重要而圍巖條件又復(fù)雜的工程，最好能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以確定圍巖壓力。實(shí)測(cè)以確定圍巖壓力。 （二）圍巖的彈性抗力二）圍巖的彈性抗力1.1.彈性抗力彈性抗力 當(dāng)襯砌承受荷載向圍巖方向變形時(shí)，將受到圍巖的當(dāng)襯砌承受荷載向圍巖方向變形時(shí)，將受到圍巖的抵抗，這個(gè)抵抗力叫彈性抗力。彈性抗力的大小和性質(zhì)抵抗，這個(gè)抵抗力叫彈性抗力。彈性抗力的大小和性質(zhì)與工程地質(zhì)條件有密切的關(guān)系：堅(jiān)固完整的巖石，彈性與工程地質(zhì)條件有密切的關(guān)系：堅(jiān)固完整的巖石，彈性抗力大；圍巖軟弱破碎，彈性抗力小，甚至不能利用?？沽Υ?；圍巖軟弱破碎，彈性抗力小，甚至不能利用。 為了

51、減少山巖壓力，有效地利用彈性抗力，常對(duì)圍為了減少山巖壓力，有效地利用彈性抗力，常對(duì)圍巖進(jìn)行灌漿加固，并填實(shí)襯砌與圍巖間的空隙，以保證巖進(jìn)行灌漿加固，并填實(shí)襯砌與圍巖間的空隙，以保證襯砌與圍巖緊密相接。襯砌與圍巖緊密相接。2.2.計(jì)算計(jì)算 文克爾假定：認(rèn)為巖石的彈性抗力文克爾假定：認(rèn)為巖石的彈性抗力P P與襯砌的變位與襯砌的變位Y Y成正比，即：成正比，即： P=KYP=KY 式中式中 KK彈力抗力系數(shù)彈力抗力系數(shù) K K表示能夠阻止面積為表示能夠阻止面積為1cm1cm2 2的襯砌變位的襯砌變位1cm1cm所需的所需的力，如果力，如果P P的單位式的單位式kN/ cmkN/ cm3 3， 單位彈

52、性抗力系數(shù)單位彈性抗力系數(shù) 經(jīng)驗(yàn)和分析說(shuō)明：在同樣得圍巖中，經(jīng)驗(yàn)和分析說(shuō)明：在同樣得圍巖中，D D大，大，K K??；?。籇 D小，小，K K大。而且大致成反比。為了計(jì)算方便，人們采用大。而且大致成反比。為了計(jì)算方便，人們采用r=1mr=1m的圓形坑道的的圓形坑道的K K值值, ,作為標(biāo)準(zhǔn)，用作為標(biāo)準(zhǔn)，用K K0 0表示（亦稱(chēng)單位表示（亦稱(chēng)單位彈性抗力系數(shù)）彈性抗力系數(shù)）當(dāng)用當(dāng)用m m為單位時(shí)：為單位時(shí)： :1:oeKoeK KmmK即： 以以cmcm為單位時(shí)為單位時(shí) 1003:100:/oeKoeK KcmcmKkN cm即： K0K0值可以值可以“查表查表”（P424, P424, 表表82

53、 82 巖石抗力系巖石抗力系數(shù)表）、數(shù)表）、“類(lèi)比類(lèi)比”求得求得”，最好是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。，最好是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。n 考慮彈性抗力考慮彈性抗力 有壓洞有壓洞q圍巖厚度大于隧洞開(kāi)挖直徑的圍巖厚度大于隧洞開(kāi)挖直徑的3 3倍。倍。q在內(nèi)水壓力作用下不致產(chǎn)生滑動(dòng)和抬動(dòng)。在內(nèi)水壓力作用下不致產(chǎn)生滑動(dòng)和抬動(dòng)。q襯砌和圍巖的空隙，必須回填結(jié)實(shí)。襯砌和圍巖的空隙，必須回填結(jié)實(shí)。q圍巖厚度大于內(nèi)水壓力水頭的圍巖厚度大于內(nèi)水壓力水頭的0.40.4倍。倍。 無(wú)壓隧洞無(wú)壓隧洞 彈性抗力只存在于襯砌變位向著圍巖的部分，彈性抗力只存在于襯砌變位向著圍巖的部分，而不產(chǎn)生于背著圍巖部分，因此，它在外周的分而不產(chǎn)生于背著圍巖部分，因此，它

54、在外周的分布形成，隨著襯砌的不同而布形成，隨著襯砌的不同而不同。不同。（三）內(nèi)水壓力及外水壓力（三）內(nèi)水壓力及外水壓力 無(wú)壓隧洞：只要算出洞內(nèi)的水面曲線，即可確定內(nèi)水壓力。無(wú)壓隧洞：只要算出洞內(nèi)的水面曲線，即可確定內(nèi)水壓力。 有壓隧洞：內(nèi)水壓力式有壓隧洞中的重要荷載，常對(duì)襯砌的計(jì)有壓隧洞：內(nèi)水壓力式有壓隧洞中的重要荷載，常對(duì)襯砌的計(jì)算起控制作用。算起控制作用。 為了使計(jì)算簡(jiǎn)單，可將有壓隧洞中的內(nèi)水壓力分解為為了使計(jì)算簡(jiǎn)單，可將有壓隧洞中的內(nèi)水壓力分解為兩部分：均勻內(nèi)水壓力兩部分：均勻內(nèi)水壓力+ +非均勻無(wú)水頭滿(mǎn)水壓力非均勻無(wú)水頭滿(mǎn)水壓力1.1.內(nèi)水壓力內(nèi)水壓力 有壓引水發(fā)電隧洞：內(nèi)水壓力有壓引

55、水發(fā)電隧洞：內(nèi)水壓力= =全水頭全水頭+ +水擊引起的壓力增值。水擊引起的壓力增值。2.2.外水壓力（地下水壓力）外水壓力（地下水壓力） 外水壓力是地下水頭引起的，規(guī)范規(guī)定：是作用在外水壓力是地下水頭引起的，規(guī)范規(guī)定：是作用在襯砌外表的邊界力。襯砌外表的邊界力。外水壓力外水壓力: : 對(duì)無(wú)壓隧洞徑常引起控制作用對(duì)無(wú)壓隧洞徑常引起控制作用 對(duì)有壓隧洞徑則對(duì)內(nèi)水壓力有抵消的作用。對(duì)有壓隧洞徑則對(duì)內(nèi)水壓力有抵消的作用。 地下滲流的情況十分復(fù)雜，影響因素也多，準(zhǔn)確值地下滲流的情況十分復(fù)雜，影響因素也多，準(zhǔn)確值無(wú)法確定，常用的方法：無(wú)法確定，常用的方法： 規(guī)范：將地下水面以上的水柱高乘以折減系規(guī)范：將地

56、下水面以上的水柱高乘以折減系數(shù)數(shù)作為外水壓力值。作為外水壓力值。 值視地質(zhì)、水文地質(zhì)及防滲、排水等情況，值視地質(zhì)、水文地質(zhì)及防滲、排水等情況，P424P424表表8383。 圍巖于襯砌組成一個(gè)緊密結(jié)合的整體，兩者又都圍巖于襯砌組成一個(gè)緊密結(jié)合的整體，兩者又都是不同程度的透水材料，因此內(nèi)外水是連通的，不能截是不同程度的透水材料，因此內(nèi)外水是連通的，不能截然的分為內(nèi)、外水壓力，即不應(yīng)將外水壓力視為一種邊然的分為內(nèi)、外水壓力，即不應(yīng)將外水壓力視為一種邊界力，而應(yīng)視為在一定邊界條件下，隧洞在地下水位以界力，而應(yīng)視為在一定邊界條件下，隧洞在地下水位以下的空間滲透力，通過(guò)滲流場(chǎng)計(jì)算，可以求得作用在襯下的空

57、間滲透力，通過(guò)滲流場(chǎng)計(jì)算，可以求得作用在襯砌外表面得水壓力。砌外表面得水壓力。（四）襯砌自重（四）襯砌自重 襯砌自重是指沿隧洞軸線襯砌自重是指沿隧洞軸線1m1m長(zhǎng)的襯砌的自重，均勻作長(zhǎng)的襯砌的自重，均勻作用于襯砌厚度的平均線上，計(jì)算的厚度應(yīng)考慮平均超挖回填部分，其用于襯砌厚度的平均線上，計(jì)算的厚度應(yīng)考慮平均超挖回填部分，其平均厚度可取平均厚度可取0.10.10.3m0.3m 單位面積上的自重強(qiáng)度單位面積上的自重強(qiáng)度g g為：為： hgc（kPa） 式中式中 h h襯砌厚度，襯砌厚度，m m，包括，包括0.10.3m0.10.3m的超挖回填在的超挖回填在內(nèi)；內(nèi)； 襯砌材料的容重，襯砌材料的容重，

58、kN/mkN/m3 3。 c（五）灌漿壓力（五）灌漿壓力 1 1回填灌漿回填灌漿 產(chǎn)生原因與分布規(guī)律：襯砌在施工時(shí)，其頂部與圍巖之間難于產(chǎn)生原因與分布規(guī)律：襯砌在施工時(shí)，其頂部與圍巖之間難于填滿(mǎn)而留有空隙，需要進(jìn)行回填灌漿。分布載頂部中心角填滿(mǎn)而留有空隙，需要進(jìn)行回填灌漿。分布載頂部中心角90901201200 0以?xún)?nèi)。沿襯砌背部均勻分布，并與背部正交（徑向分布）。以?xún)?nèi)。沿襯砌背部均勻分布，并與背部正交（徑向分布）。 荷載性質(zhì)：主要是存在于施工完建時(shí)期的荷載，完建以后，即荷載性質(zhì)：主要是存在于施工完建時(shí)期的荷載，完建以后，即逐漸減少，屬施工情況的臨時(shí)荷載?？稍诠酀{時(shí)采取措施，故在設(shè)逐漸減少，屬

59、施工情況的臨時(shí)荷載。可在灌漿時(shí)采取措施，故在設(shè)計(jì)中一般不予考慮。計(jì)中一般不予考慮。2.2.固結(jié)灌漿固結(jié)灌漿 均勻分布于整個(gè)隧洞斷面周?chē)?。固結(jié)灌漿對(duì)襯砌的作用相當(dāng)于外水均勻分布于整個(gè)隧洞斷面周?chē)９探Y(jié)灌漿對(duì)襯砌的作用相當(dāng)于外水壓力，使襯砌受壓，只是在壓力很大時(shí)才有必要驗(yàn)算襯砌強(qiáng)度。壓力，使襯砌受壓，只是在壓力很大時(shí)才有必要驗(yàn)算襯砌強(qiáng)度。（六）溫度應(yīng)力（六）溫度應(yīng)力 1.1.產(chǎn)生的原因：襯砌之外的圍巖阻礙襯砌自由脹縮，產(chǎn)生的原因：襯砌之外的圍巖阻礙襯砌自由脹縮，所以載襯砌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。所以載襯砌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。 施工期：砼的水化熱荷干縮。施工期：砼的水化熱荷干縮。 運(yùn)用期：水溫的變化，氣溫的

60、變化對(duì)洞的影響小。運(yùn)用期：水溫的變化，氣溫的變化對(duì)洞的影響小。 升溫時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)力升溫時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)力, ,降溫時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力降溫時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力. .砼耐壓不耐拉砼耐壓不耐拉, ,故溫降為控制情況故溫降為控制情況, ,隧洞襯砌砼能承受的降溫度只有隧洞襯砌砼能承受的降溫度只有7 710,10,超過(guò)則產(chǎn)生裂縫。超過(guò)則產(chǎn)生裂縫。 2.2.減小溫度應(yīng)力的工程設(shè)施：減小溫度應(yīng)力的工程設(shè)施： 施工期：選擇適宜的水泥（低熱），控制水灰比，施工期：選擇適宜的水泥（低熱），控制水灰比，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，縮短澆筑的長(zhǎng)度（洞線軸向），配置適量的加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，縮短澆筑的長(zhǎng)度（洞線軸向），配置適量的溫度鋼筋。溫度鋼筋。3.3.計(jì)算計(jì)算非寒冷